Г.Р.Б. Вудворд и М. Штрель осуществили синтез молекулы хлорофилла

1960 г.Р.Б. Вудворд и М. Штрель осуществили синтез молекулы хлорофилла.

1966 г. М.Д. Хетч и К.Р. Слэк экспериментально обосновали С₄-путь фотосинтеза (Полевой, 1989).

Открытие двух фаз процесса фотосинтеза. Голландский микробиолог К.Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО₂. Способные к фотосинтетической ассимиляции СО₂ бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа Н₂S, Н₂, СН₃ и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:

СО₂ + H₂S ^свет [СН₂О] + Н₂О + S₂

или в общей форме:

CO₂ + 2H₂A ^свет [CH₂О] + H₂O + 2А,

где Н₂А - окисляемый субстрат (донор водорода). Он предположил, что для высших растений и водорослей Н₂А - это Н₂О, а 2А - это Од.

Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель [ОН] и восстановитель [H] Затем первичный восстановитель [Н] восстанавливает СО₂, а первичный окислитель [ОН] участвует в реакции, в которой высвобождается О₂ и снова образуется Н₂О.

В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так:

хлорофилл

СО₂ + 4Н₂О ^свет [СН₂О ] + ЗН₂О + О₂.

Идеи ван Ниля были поддержаны результатами опытов английского физиолога растений Р. Хилла, который в 1937 г. показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и выделять кислород в присутствии акцепторов электронов (феррицианида, бензохинона и др.). Это явление получило название реакции Хилла. Согласно Хиллу, процесс разложения воды осуществляется в три этапа:

	свет

хлорофилл

4Н₂О  4Н⁺ + 4ОН^- (фотолиз)

4ОН^- → 2Н₂О + 4ē + О₂

2

Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США.А.П. Виноградов и Р.В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что отношение ¹⁶О: ¹⁸О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода (Лебедев, 1960).

Открытие пигментов пластид и установление структуры и состава хлорофиллов

Пигменты - важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М.С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 - 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной хроматографией. Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью. В результате происходит разделение веществ. Этот прием широко используется в современной биохимии, химии и в некоторых отраслях промышленности. С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла - а и b и разделил желтые пигменты листа на три фракции (Рубин, 1975).

Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам. Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан русским физиологом и ботаником И.П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма - этилхлорофиллид. Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных. Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный состав хлорофилла а - C₅₅H₇₂О₅N₄Mg и хлорофилла b - C₅₅H₇₀О₆N₄Mg, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал структурную формулу хлорофилла. В 1960 г. химики-органики Р.Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл - сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая - остатком одноатомного непредельного спирта фитола. По данным А.А. Шлыка (1965), хлорофилл b может образовываться из вновь синтезированных молекул хлорофилла а. (Кретович, 1971).

Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах А.А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная ("красная") форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении. Фотовосстановленный хлорофилл в свою очередь может восстанавливать различные акцепторы электронов. В той же модельной системе, но с добавлением акцептора электронов хлорофилл при освещении действует как сенсибилизатор. В этих условиях происходит восстановление NAD⁺, рибофлавина, хинона, Fe³⁺, кислорода. Эти реакции получили название "реакций Красновского". Из всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:

1) избирательно поглощать энергию света,

2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения,

3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений (Полевой, 1989).

Литература

1.  Биофизика фотосинтеза / Под ред. А.Б. Рубина. М.: МГУ, 1975.

2.  Кретович В.Л. Основы биохимии растений. М.: Высшая школа, 1971.

3.  Лебедев С.И. Фотосинтез. Киев: УАСХН, 1960.

4.  Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989.

5.  Рубин Б.А. Курс физиологии растений. М.: Высшая школа, 1976.

6.  Тарчевский И.А. Основы фотосинтеза. М.: Высшая школа, 1970.